Zavihek krila - winglet - iznajdba na koncih kril

Ta sodobna iznajdba, ki omogoča prihranek letalskim družbam in izboljša aerodinamične lastnosti letala, je sestavni del skoraj vsakega novega letala. Uveljavljajo se tudi pri starejših letalih, ki so še v prometu, saj jim montaža zavihkov krila (wingletov) bistveno pripomore pri letih. V slovenščini bi za winglet lahko uporabili izraz perutnička, majhna perut, podaljšek krila, ki se nahaja na konici oz. koncu kril (wingtip). Z izdajo Letalskega razlagalnega slovarja (2009) pa je to aerodinamično komponento s katero se izboljšajo zmogljivosti letala avtor izr. prof. dr. Dominik Gregl dipl. ing. označil kot zavihek krila.

Naprave na koncih kril za izboljšanje aerodinamike
b-737-8as_ei-dhi_letalske_drube_ryanair_070.jpgNaprave na koncih kril - zavihek krila  se navadno uporabljajo za izboljšanje zmogljivosti letal s fiksnimi krili. Obstaja več vrst izvedb zavihkov krila in ne glede na to, da različno delujejo in vplivajo na let, služijo istemu namenu: izboljšati aerodinamiko in s tem izboljšati letalne zmogljivosti letala. Te naprave običajno izboljšajo tudi krmljivost letala. S tržnega pogleda imajo zavihki krila tudi estetsko vrednost; veliko letal je bilo z njimi opremljenih zgolj iz kozmetičnih razlogov.

Zavihki krila povečujejo vitkost krila, brez povečanja razpetine kril. Povečanje razpona bi zmanjšalo induciran upor, a bi hkrati povečalo škodljiv upor. Zaradi tega bi krilo morali ojačati, s tem pa bi se povečala njegova masa. Tako torej krilo, v neki točki večanje razpona kril, ni več efektivno. Prav tako so razlogi za manjšo razpetino kril tudi operativne narave, če letalo recimo deluje na manjših letališčih.

Zavihki krila povečujejo vzgon na koncih kril in s tem manjšajo inducirani upor, ki nastane zaradi vrtincev na koncih kril, s tem pa se izboljša razmerje med vzgonom in uporom letala. Praktično to pomeni manjšo porabo goriva motornih letal, višjo hitrost pri jadralnih letalih, v obeh primerih pa večji dolet.

Tipi zavihkov krila
Zavihek krila je skoraj navpičen podaljšek krila, ki je lahko usmerjen navzven (nagnjen pod  kotom večjim od 90°) ali navznoter (kot manjši od 90°). Med seboj se razlikujejo tudi po velikosti in obliki. Naštete lastnosti so bistvenega pomena tudi_letala_crj-200__900_slovenskega_prevoznika_adrie_airways_so_opremljena_z_wingleti_072.jpgza delovanje in so unikatne za vsako letalo. Vrtinec zraka, ki se vrtinči pod krilom, zadene v ukrivljeno površino zavihka krila, zaradi česar nastane sila, katere komponente so usmerjene proti letalu vzdolž krila ter delno naprej, kar povzroči dodaten potisk; vse to je analogno jadrnici, ki pluje diagonalno na smer vetra. Cena namestitve in vzdrževanja tega malega »dodatka« je zanemarljiva v primerjavi s privarčevanim stroškom goriva v celotni življenjski dobi letala. Druga pomembna stvar je, da letala brez zavihkov krila za seboj puščajo močne tokove vrtinčastega zraka. čŒe katerokoli letalnik zaide v tak vrtinec zraka, lahko turbulenca povzroči nevšečnosti posadki in potnikom, v najslabšem primeru pa pride do izgube kontrole nad letalnikom in strmoglavljenja.

Zavihke krila uporabljata tudi letali Airbus A340 in Boeing 747-400. Ostali Boeingovi modeli, kot sta B777 in 747-8 se zavihkom krila raje izogibajo, ker so izkoristki zelo majhni, letalo pa bi bilo tudi prevelikih mer za standardna vrata hangarjev, in namesto tega uporabljajo nazaj »zlomljene« oz. puščičaste podaljške kril. Veliki zavihki kril so navadno uporabljeni na letalih kratkega doleta, pri katerih so bolj pomembne zmogljivosti vzpenjanja. Puščičasti zaključki kril so primerni za letala z dolgim dosegom, pri katerih je bolj pomembna potovalna hitrost.

Zgodovina zavihkov krila

NASA
Koncept izvira iz leta 1897, ko je anglež Frederick W. Lanchester patentiral plošče na koncih kril, za kontroliranje vrtincev. navpi_ni_winglet_na_letalu_emb-190-100lr_oh-lkf_finnair_073.jpgNjegov koncept je, med naftno krizo leta 1973, naprej razvijal inženir Richard T. Whitcomb v NASA raziskovalnem centru Langley Research Center. Whitcombove rešitve so bile testirane v letih 1979-80 v združenem projektu NASA in letalskih sil ZDA (USAF). Testiranja so opravljali z letali KC-135 Stratotanker, Lockheed L-1011 ter McDonnell Douglas DC-10.

Najbolj poznana in pomembna uporaba zavihkov krila v NASA je bila na letalu Boeing 747 Shuttle Carrier, za prevoz raketoplana. Zavihki krila na horizontalnih stabilizatorjih so letalu nudili stabilnost pod veliko obtežitvijo z raketoplanom.

Kompozitna letala
Še preden je NASA opravila testne polete z zavihki krila, jih je Burt Rutan uporabil na svojem inovativnem, doma narejenem letalu Rutan VariEze, ki je prvič poletelo 21. maja 1975. VariEze je oralo ledino na področju kompozitnih konstrukcij iz steklenih vlaken, katera so poenostavila izdelavo zavihkov krila. Izognil se je tudi dodatnemu uporu, saj je bilo letalo opremljeno z zadaj nameščenim motorjem, zavihki krila pa so na krilih, nameščenih na zadnji del letala, opravljala še funkcijo smernih stabilizatorjev. Podobne rešitve so bile uporabljene na letalu Rutan Long-EZ, nasledniku VariEze ter na poslovnem letalu Beechcraft Starship, ki je začel leteti leta 1986.

Konvencionalni zavihki krila so bili nameščeni tudi na Rutan Voyager, prvem letalu, ki je leta 1987 obkrožilo svet brez vmesnega polnjenja z gorivom. Toda ob prvem poletu so obtičali na tleh, saj so bila krila, polna goriva, pretežka in so konci kril drsali po vzletni stezi. Inženirji v ekipi so izračunali, da bo odstranitev zavihkov krila sprejemljiva, nesprejemljivo pa bi bilo zmanjšanje rezerve goriva. Za uspeh misije se tako ni bilo bati.

zar_ni_vrtinci_076.jpg
Slika prikazuje zračne vrtince pri kroženju zraka med običajnim zaključkom krila in vgrajenim zaokroženim wingletom na letalu B-737.

Poslovna letala
Podjetje Learjet je leta 1977 na srečanju National Business Aviation Assocation predstavil prototip letala Learjet, model 28. Prototip je bil prvi med civilnimi in vojaškimi reakcijskimi letali v serijski proizvodnji, ki so imela zavihke krila. Learjet je napravo razvil brez pomoči in sodelovanja z NASA. čŒeprav je bil model 28 le prototipno letalo, pa so bile njegove zmogljivosti takšne, da je v Learjetu stekla proizvodnja. Testiranja so pokazala, da zavihki krila povečajo dolet za do 6.5% in izboljšajo smerno stabilnost. Learjetova uporaba teh naprav se je nadaljevala vse do najnovejših modelov in bo stalnica tudi v prihodnje.

Gulfstream je zavihke krila prav tako odkril v poznih 70-ih letih in jih uporabil v serijah letal Gulfstream III, GIV in GV. Zmogljivosti letala Gulfstream V so naravnost osupljive. Njegov dolet znaša 12.000 km, kar pomeni direktni let iz New Yorka v Tokyo. Letalo Gulfstream V si lasti več kot 70 svetovnih in državnih rekordov.

Zavihk krila se uporabljajo tudi na mnogih drugih poslovnih letalih, saj zmanjšujejo potrebno vzletno razdaljo, omogočajo operiranje na manjših letališčih, se hitreje vzpenjajo in letijo na višjih višinah in se tako izognejo slabemu vremenu. Na tržišču se je kmalu pojavila poplava zavihkov krila za letala, ki niso bila prvotno opremljena z njimi, tako za reakcijska kot turbopropelerska. Zavihki krila so v tej skupini letal postali tako popularni, da je francosko podjetje Dassault, ki se je do nedavnega trdovratno izogibalo tem pomagalom, sprožilo pravo vojno proti njihovi uporabi. Podjetje Cessna Aircraft Company pa je objavilo, da sodeluje s podjetjem Winglet Technology iz Kansasa, za razvoj novega tipa zavihka krila eliptične oblike, ki bo namenjen povečanju doleta in večji nosilnosti za letala, ki delujejo v vročih krajih ali krajih z visoko nadmorsko višino.

primer_naknadno_vgrajenega_wingleta_079.jpgSlika: Primer naknadno vgrajenega wingleta na starejši tip letala – B-727-23 VP-BDJ Trump (Franci Jeraj, Ljubljana, 30.4.2006).

Boeingova potniška letala
Boeing je oktobra 1985 predstavil novo verzijo letala B747-400, ki je imela povečan dolet in kapaciteto potnikov. Pri tem modelu je Boeing uporabil kombinacijo zavihkov krila ter večjega razpona kril in na ta način povečal nosilnost. Zavihki krila (wingleti) pri tem modelu so povečali doseg letala za okoli 3.5% v primerjavi z verzijo 747-400D, ki je aerodinamično enaka konstrukciji verzije B747-400.

Boeing izdatno uporablja zavihke krila (winglete) na izpeljankah obstoječih modelov in s tem zagotovi največjo možno mero enakih sestavnih delov. Vse novejše konstrukcije temeljijo na velikem razponu kril, uporabi zavihkov krila, ostalih naprav za izboljšanje aerodinamičnih lastnosti ter kombinacijo vseh naštetih možnosti.

Minilo je več kot desetletje, da so začeli na serijskih potniških letalih uporabljati zavihke krila, ki so bili eden izmed osrednjih  razvojnih ciljev NASA v tistem času.

Jadralna letala
Leta 1987 je strojni inženir Peter Masak prosil za pomoč letalskega inženirja Marka D. Maughmer, da bi mu pomagal pri zasnovi zavihkov krila za njegovo 15 metersko jadralno letalo. Ostali jadralci so že pred njim namestili Whitcombove zavihke krila in s tem izboljšali vzpenjanje, ampak se je zaradi dodatnega škodljivega upora zmanjšala maksimalna hitrost. Masak ni bil prepričan, če bi se to težavo dalo odpraviti.

Po številnih poskusih sta končno razvila zavihke krila za tekmovalne namene z uporabo profila PSU-90-125. Na svetovnem jadralnem prvenstvu, leta 1991 v Teksasu, je prvo mesto za najvišjo doseženo hitrost v odprtem razredu, z neomejenim razponom kril, pripadlo njegovemu 15 meterskemu letalu z novo zasnovanimi zavihki krila. Leta 1993 pa je Masak na državnem tekmovanju v ZDA v razredu s 15 meterskimi letali zmagal s prototipnim letalom Scimitar, ki je bilo prav tako opremljeno z zavihki krila.

Masakovi zavihki krila so bili v široki uporabi na jadralnih letalih, dokler po 10-ih letih njihove navzočnosti, niso večine visoko zmogljivih jadralnih letal začeli z zavihki krila, in podobnimi napravami, opremljati že serijsko. Ko so bile prednosti zavihkov krila dokazane na tekmovanjih, se je splošna uporaba na jadralnih letalih hitro razširila. Končna razlika med najboljšimi tekmovalci je običajno manj kot 1%, zato vsaka še tako majhna izboljšava v zmogljivostih bistveno vpliva na končni rezultat.

Večina ljubiteljskih jadralnih pilotov je 'winglete' namestila zaradi boljše vodljivosti ter manjših možnosti za izgubo vzgona na koncih kril. čŒetudi so prednosti uporabe znane, jih piloti na letalo namestijo le na lastno željo, saj morajo biti odstranljiva, kajti letalo mora biti razstavljivo, da ga lahko pospravijo v prikolico.

pipistrel_taurus_in_stemme_virpipistrel.jpg

Zaokroženi 'wingleti'
Zaokroženi zavihki krila so namenjeni zmanjšanju interferenčnega upora, ki nastane na spoju krila in zavihka krila. Oster notranji kot na tem delu lahko zaradi interference mejne plasti zraka povzroči nastanek vrtinca, to pa izniči prednosti zavihka krila. Zaokroženi 'wingleti' so tudi bolj estetski in se uporabljajo na poslovnih in jadralnih letalih, kjer je pomembno tudi osebno mnenje kupca.

Zaokroženi 'wingleti' so bili kot dodatni deli podjetja Aviation Partners Inc. kmalu ponujeni za letala Boeing B737, B757 in Raytheon Hawker 800, verzija B737 pa je sedaj paradni konj Boeing-ove poslovne linije. Veliko letalskih družb je svoja letala z zavihki krila opremila predvsem zaradi manjše porabe goriva in s tem manjših stroškov. Podjetje Aviaton Partners Inc. razvija zavihke krial tudi za verzijo letala B-767-300ER. Airbus je testiral podobne 'winglete' podjetja Winglet Technology za serijo letal A320, a so prišli do zaključka, da koristi ne upravičujejo stroškov razvoja in so denar preusmerili v razvoj programa letala A380.

Oglaševanje
Nekatere letalske družbe, kot so AirTran, American Airlines, SouthWest Airlines in West Jet, so notranjo stran zavihkov krila letala 737 uporabile v reklamne namene, saj je le-ta lepo vidna potnikom v letalu.

Znani in pomembni primeri uporabe

Zavihki krila so v uporabi na mnogih letalih, najbolj pomembni mejniki pa so:
- Rutan VariEze, prvo letalo z 'wingleti' (1975);
- Learjet, model 28/29, prvo serijsko letalo z 'wingleti' (1977);
- Glaser-Dirks DG-303, jadralno letalo s serijsko nameščenimi 'wingleti';
- Boeing 747-400, prvo pomembno potniško letalo, ki je uporabljalo 'winglete' (1988).

»Ograja«na koncih kril (Wingtip fence)
Wingtip fence je različica zavihkov krila, kjer je površina iztegnjena tako navzgor kot navzdol od konice krila. Obe površini sta krajši in enako dolgi in služita enakim aerodinamičnim nalogam, kot običajni 'winglet'.

»Ograjice« uporabljajo naslednji modeli:
- Airbus A300-600;
- Airbus A310-300;
- Airbus serija A320;
- Airbus A380.

ograja_na_koncu_kril_075.jpg
Slika: Različica wingletov, kjer je površina iztegnjena tako navzgor kot navzdol od konice krila, imenujemo »wingtip fence« - ograja na koncu kril. Obe površini sta krajši in enako dolgi. Tako različico uporabljajo tudi letala A-320. Na sliki A-320-214  EC-JQP Iberworld (Azra Devedžič, Alicante, avgust 2006).

Puščičasti 'wingleti'
Ta tip uporablja predvsem Boeing na nekaterih potniških letalih. Ti zavihki krila niso usmerjeni navzgor, ampak so samo podaljšek kril, ki ima večji kot puščice kot krilo samo. Preverjeno služijo za manjšo porabo goriva, zmogljivosti vzpenjanja in krajši vzletni razdalji. Delujejo zelo podobno kot običajni zavihki krila, s povečanjem vitkosti krila in zmanjšanjem škodljivih vrtincev na koncih kril, kar zmanjšuje inducirani upor letala. Boeing in NASA sta v skupnih testiranjih ugotovila, da puščičasta krila zmanjšajo upor za približno 5.5%, medtem ko konvencionalni zavihki krila upor zmanjšajo med 3.5 in 4.5%. V splošnem je povečanje razpona kril bolj efektivna rešitev kot 'wingleti', a to lahko predstavlja težave z delovanjem na tleh. Zaradi tega razloga je Boeing svoje letalo B787-3, namenjeno kratkim razdaljam, opremilo s konvencionalnimi zavihki krila namesto puščičastimi, kot je to naredilo za ostale različice serije 787.

Puščičasti 'wingleti' so uporabljeni na slednjih letalih:
- Boeing 747-8
- Boeing 767-400ER
- Boeing 777-200LR/-300ER(F)
- Boeing 787-8/-9/-10
- Boeing P-8 Posedion

Zaključki nevodoravnih kril
Taka krila so navadno usmerjena navzgor pod določenim kotom, v tako imenovano poliedrično konfiguracijo, kjer je krilo lomljeno in je ob zaključku pod večjim kotom kot pri korenu krila. To zagotavlja kontrolo nad zračnim vrtincem 'wingletov', z primerjava_obi_ajnega_in_elipti_no_ukrivljenega_wingleta_082.jpgmanj parazitnega upora, če je stvar pazljivo konstruirana. Taka krila so pogosto zapognjena nazaj, podobno kot puščičasti 'wingleti' in so lahko tudi kombinirana, s katerim od tipov zavihkov krila. Pravzaprav je zavihek krila tudi poseben primer zaključka nevodoravnega krila.

Letalski inženirji so vodoravna krila pod majhnim kotom navzgor uporabljali predvsem po drugi svetovni vojni, do začetka uporabe 'wingletov'. Po širokem sprejetju 'wingletov' v novih dizajnih jadralnih letal v 90-ih letih, so konstruktorji težili k boljši optimizaciji aerodinamičnih lastnosti njihovih zaključkov kril. Zavihki krila jadralnih letal so bili prvotno nameščeni na vodoravna krila, z majhnim, skoraj pravokotnim kotom na krilo in so bili popolnoma brez prehoda. Ko so bili zavihki krila optimizirani, so se inženirji posvetili tudi samemu prehodu med njimi in krilom.

Najbolj pogosta uporaba za prehodno območje je bilo skrajševanje tetive profila krila do tetive profila 'wingleta' ter uklon prehodnega območja do kota za najbolj ugoden položaj 'wingleta'. čŒe je zožen del zakrivljen navzgor, se višina samega zavihka krila zmanjša. Praktično sedaj konstruktorji krilo večkrat lomijo, tako da je vsak del pod malo večjim kotom, krilo pa se potem pravzaprav ne zaključi z zavihkom krila.

Zaključki nevodoravnih kril (brez 'wingletov') so ali bodo uporabljeni na naslednjih letalih:
- Schempp-Hirth Discus-2b
- Schempp-Hirth Duo Discus
- Airbus A350 XWB

Premikajoče naprave na koncih kril
Opravljene so bile raziskave s premikajočimi napravami, a se nikoli niso uveljavile in se ne uporabljajo. Ena takih rešitev je bila uporabljena ne nesojenem projektu bombnika XB70 Valkyrie, kateremu so se krila ob visoki hitrosti prelomila navzdol, da je lahko letel s hitrostjo 3 machov.

Spiroidni 'wingleti'
Ta tip zavihka krila se zvije navznoter in tvori »tunel« ter tako izniči vrtince nastale na 'wingletu'. Patent je registriran pod številko #5.102.068.

revija_letalo.jpgAvtor: Franci Jeraj, Revija Letalo

Fotografije: Jan Jeraj, Franci Jeraj
Skice: Arhiv Revije Letalo